Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Modelando la Tensión Mecánica en Placas Vulnerables para Reducir Ataques Cerebrales

Friday, February 26, 2010

Cada 40 segundos alguien en los Estados Unidos tiene un ataque cerebral. Sin ninguna advertencia, una arteria del cerebro se bloquea, el flujo sanguíneo se detiene, y el oxígeno no llega a las estructuras críticas responsables del habla, el movimiento, la vista, y algunas veces la vida misma. Los ataques cerebrales son la tercera causa principal de muerte en el país y la causa principal de discapacidad seria a largo plazo.

Esta vista 3D de una placa carótida humana muestra componentes de placa y la presencia de ulceración (a). Trazos de banda de la tensión en la pared de placa (Tensión-P1) muestran que la tensión crítica en la pared de placa en 3D (CPWS por sus siglas en inglés) predijo el sitio real de la ruptura (b)." title="Esta vista 3D de una placa carótida humana muestra componentes de placa y la presencia de ulceración (a). Trazos de banda de la tensión en la pared de placa (Tensión-P1) muestran que la tensión crítica en la pared de placa en 3D (CPWS por sus siglas en inglés) predijo el sitio real de la ruptura (b)

Las arterias carótidas, dos arterias localizadas a cada lado del cuello, abastecen de sangre al cerebro. Más del 60% de todos los ataques cerebrales son ocasionados cuando se rompe la placa localizada en una de las arterias. En estos casos, la placa – compuesta de grasas, tejido fibroso, y calcificaciones como piedritas – se rompe, lanzando pedazos a toda velocidad por la arteria. Fragmentos de placa y coágulos de sangre formados en el sitio de la ruptura pueden ser enviados hasta el cerebro. Si los fragmentos se acumulan, pueden bloquear el flujo sanguíneo dentro de una arteria, ocasionando un ataque cerebral.

Los instrumentos de diagnóstico actuales son limitados en su habilidad para identificar cuales placas están en riesgo de romperse. Con el propósito de mejorar los resultados del paciente, los investigadores del Instituto Politécnico de Worcester en Worcester, Massachusetts; de la Washington University en St. Louis, Missouri; y de la Universidad de Washington en Seattle, han desarrollado técnicas de imágenes por resonancia magnética (IRM) y modelos computacionales que ayudarán a identificar cuales placas son propensas a romperse. La información de las IRM de los pacientes se utiliza para crear un modelo 3D de interacción fluido-estructura (FSI por sus siglas en inglés) para mostrar gráficas 3D de tensión/deformación de las placas dentro de las arterias carótidas. El modelo FSI describe también la tensión de la pared de placa y la tensión cortante de flujo que cada placa podría experimentar.

Los pacientes con estrechez de arterias carótidas son por lo general observados a través del tiempo y pueden someterse a endarterectomía carotídea (una intervención quirúrgica para extirpar placa) cuando las arterias quedan bloqueadas en un 70 a 80%. “Setenta por ciento de los pacientes que se someten a cirugía son asintomáticos. Como cirujanos sabemos que existen algunos pacientes que no necesitan cirugía, pero no hay manera de predecir qué placas son inestables o podrían hacerse vulnerables. Cualquier estudio de imágenes que identifica a estos pacientes podría ser de gran uso”, dice Gregorio Sicard, M.D., jefe de la sección de cirugía vascular en la Washington University en St. Louis, y colaborador de esta nueva técnica de modelado.

 

Mejorando los Estudios de IRM

Chun Yuan, Ph.D., profesor de radiología, y Thomas Hatsukami, M.D., profesor de cirugía vascular, ambos en la Universidad de Washington en Seattle, han desarrollado técnicas de IRM de alta resolución que pueden utilizarse para diferenciar los componentes del tejido de placa y evaluar la estructura de la placa carótida, la composición, y la actividad inflamatoria.

“Las técnicas de imágenes que se utilizan actualmente en la práctica clínica para evaluar la enfermedad carótida no nos dan información acerca de la estructura, composición, y actividad inflamatoria de la placa carótida”, dice el doctor Hatsukami, un colaborador del estudio FSI. Su equipo y otros han demostrado que la hemorragia intraplaca, los núcleos necróticos ricos en lípidos, y las capas fibrosas delgadas/rasgadas – el material fibroso que recubre a la placa – están asociados con una probabilidad más alta de tener un futuro ataque isquémico transitorio (un mini ataque cerebral) o un ataque cerebral.

 

Calculando la Tensión en la Placa

“El modelo FSI añade una nueva dimensión mecánica de tensión/deformación al procedimiento actual basado en imágenes para evaluar el riesgo de ruptura de la placa”, dice Dalin Tang, profesor de matemáticas computacionales e ingeniería biomédica en el Instituto Politécnico de Worcester e investigador principal de la investigación. El modelo FSI mejora el análisis de placa por IRM ya que ofrece información adicional acerca de las tensiones mecánicas que podrían predisponer a una placa a que se rompa. El modelo predice qué placas son propensas a romperse basándose en condiciones calculadas de tensión/deformación. Tang y su grupo pueden calcular la tensión en la pared de placa así como la tensión cortante de flujo que actúa en la placa. En un estudio reciente de 12 pacientes, los investigadores descubrieron que las placas con áreas de alta tensión – puntos donde ocurrieron rupturas anteriores – son más propensas a romperse que las placas intactas. Descubrieron también que condiciones de tensión altamente críticas ocurren en sitios ulcerosos en la placa. La tensión en la pared de placa era 86% más alta en los sitios ulcerosos que en los sitios no-ulcerosos, y la tensión cortante de flujo en los sitios ulcerosos era 170% más alta que en los sitios no-ulcerosos.

“Los procesos que llevan a la ruptura son complicados, pero este estudio ofrece evidencia in vivo de que la tensión estructural juega un papel primordial como detonador en la ruptura de la placa”, dice Tang. “Si el modelo se enfoca en las condiciones de tensión localizada, puede ofrecer información más específica acerca de cada placa”.

Para obtener los valores de la tensión en la pared de placa y de la tensión cortante de flujo, las imágenes de RM pasan por dos análisis separados. Primero, las imágenes de RM de la placa arterial carótida del paciente se dividen en múltiples segmentos utilizando herramientas de análisis a la medida que identifican el núcleo de placa rico en lípidos, tejido fibroso, calcificación, coágulos, sangrado, y la presencia o ausencia de úlceras. En un segundo análisis, la información segmentada de placa se utiliza para construir marcos 3D que responden por cada componente de placa así como detalles de fluido y estructurales. Este enfoque ofrece un análisis mecánico completo. Las lecturas de la presión sanguínea de cada paciente ofrecen condiciones de presión para las arterias involucradas.

 

Clasificando la Tensión en la Placa

Mientras que más pacientes se reclutan para los estudios de imágenes por RM y más información se acumula, Tang está refinando un índice cuantitativo de tensión crítica que los médicos podrían utilizar para evaluar las placas. El índice es similar al sistema de clasificación de lesiones de la Asociación Americana del Corazón, un conjunto de directrices para evaluar los bloqueos en las arterias del corazón. El índice de Tang ofrecería una escala para clasificar placas desde las estables (pequeño núcleo de lípido menor al 30% de la placa con un grosor de capa mayor de 200 µm) hasta las más vulnerables (núcleo necrótico mayor al 40% y una delgada capa fibrosa menor de 150 µm). El grupo de Yuan está investigando también un sistema de puntuación de arterosclerosis carótida que podría ser mejorado por el índice de Tang.

“Para uso clínico, quieres un índice que sea altamente reproducible, que ofrezca información que pueda ser fácilmente cuantificada, y que haya demostrado ser de valor predictivo para eventos isquémicos futuros”, dice Hatsukami. Uno de los retos de desarrollar dicho índice es su dependencia de la exactitud de la información de la RM. “Nuestros cálculos numéricos son engañosamente exactos”, dice Tang. “Son finalmente sólo tan exactos como la información de la RM, aún cuando numéricamente podemos ser exactos hasta ocho decimales”.

Otro reto es el obtener muestras de tejido para comparación histológica. “Más pacientes reciben colocación de stents en lugar de ser sometidos a endarterectomía, por lo que tenemos que esperar por pacientes que se serán sometidos a cirugía”, explica Pamela Woodard, M.D., investigadora principal del sitio y profesora de radiología en la Washington University. La colocación de stents implica ensanchar una arteria mediante la colocación de un pequeño tubo de malla en una área estrecha.

 

Mejorando la Salud del Paciente

En el futuro, Tang y sus colaboradores desean incorporar reacciones celulares y de tiempo en los modelos de placa. Mediante la simulación de la progresión de placa, el modelo FSI podría demostrar cómo los factores mecánicos afectan el crecimiento de placa y su ruptura final. El modelar cómo reaccionan las células a diferentes fuerzas permitiría que experimentos determinen el papel que juegan los genes en el desarrollo de placa. Tang está también extendiendo el modelado a arterias coronarias para cuantificar las fuerzas mecánicas que podrían llevar a un ataque cardiaco. Está trabajando en comercializar el paquete de modelado para que pueda ser diseminado ampliamente y probado en amplios ensayos clínicos aleatorios. “Ahora, más que nunca, las terceras personas pagadoras se interesan en saber si la tecnología funciona y cómo afecta el cuidado del paciente y los resultados”, dice Woodard. “Necesitamos grandes cantidades de pacientes de manera que podamos demostrar que el añadir un modelo arterosclerótico a los estándares de diagnóstico actuales influye en la decisión del médico de dar tratamiento”.

El modelo FSI tal vez no esté disponible para uso clínico durante varios años. Mientras tanto, Tang y su grupo se enfocarán en automatizar el modelado y el proceso de análisis. El crear una herramienta para pruebas de detección que pudiera prevenir ataques cerebrales y cardiacos mediante la detección temprana haría que los retos iniciales valieran la pena. “Estoy muy comprometido con este trabajo. Los individuos con enfermedad carótida asintomática subclínica quizá no sepan que son bombas de tiempo andantes”, dice Tang. “Con detección temprana podríamos ser capaces de evitar 50% o aún más de los ataques cardiacos y cerebrales mediante cambios en la dieta y ejercicio, y otros tratamientos preventivos”.

Este trabajo está apoyado en parte por le Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas.

 

Referencias

Dong L, Kerwin WS, Ferguson MS, Li R, Wang J, Chen H, Canton G, Hatsukami TS, Yuan C. Cardiovascular magnetic resonance in carotid atherosclerotic disease. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 2009:11(1):53. [Epub ahead of print]

Takaya N, Yuan C, Chu B, Saam T, Underhill H, Cai J, Tran N, Polissar NL, Isaac C, Ferguson MS, Garden GA, Cramer SC, Maravilla KR, Hashimoto B, Hatsukami TS. Association between carotid plaque characteristics and subsequent ischemic cerebrovascular events: A prospective assessment with MRI-initial results. Stroke 2006:37(3):818-23.

Tang D, Teng Z, Canton G, Yang C, Ferguson M, Huang X, Zheng J, Woodard P, Yuan C. Sites of rupture in human atherosclerotic carotid plaques are associated with high structural stresses: An in vivo MRI-based 3D fluid-structure interaction study. Stroke. 2009: 40: 3258-3263.

Tang D, Teng Z, Canton G, Hatsukami TS, Dong L, Huang X, Yuan C. Local critical stress correlates better than global maximum stress with plaque morphological features linked to atherosclerotic plaque vulnerability: An in vivo multi-patient study. BioMedical Engineering OnLine. 2009: 8:15.

Teng Z, Canton G, Yuan C, Ferguson M, Yang C, Huang X, Zheng J, Woodard P, Tang D. 3D critical plaque wall stress is a better predictor of carotid plaque rupture sites than flow shear stress: An in vivo MRI-based 3D FSI study. J. Biomechanical Engineering, in press.

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